เร่งการแยกน้ําออกจากเส้นใยนาโนเซลลูโลสสําหรับการผลิตกระดาษ

Sonication ร่วมกับการดัดแปลงกรดแลคติก (LA) เป็นแนวทางที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมในการเร่งกระบวนการแยกน้ําออกจากเส้นใยนาโนเซลลูโลส (CNFs) สําหรับการผลิตกระดาษ เส้นใยนาโนเซลลูโลสเป็นที่รู้จักในด้านการกักเก็บน้ําสูงทําให้เกิดความล่าช้าอย่างมากในกระบวนการระบายน้ําซึ่งเป็นขั้นตอนสําคัญในการเตรียมกระดาษนาโนและการใช้งานนาโนเซลลูโลสอื่น ๆ วิธีนี้ช่วยลดเวลาในการระบายน้ําลง 75% จาก 45 นาทีเป็น 10 นาทีผ่านการเอสเทอริฟิเคชันของกลุ่มเซลลูโลสไฮดรอกซิลโดยกรดแลคติกภายใต้การ sonication การดัดแปลงนี้ยังช่วยลดความหนืดของสารแขวนลอยและพิสูจน์แล้วว่าสามารถปรับขนาดได้ทางอุตสาหกรรม ซึ่งเป็นโซลูชันที่ใช้งานได้จริงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและอัตราการผลิตของผลิตภัณฑ์ที่ใช้เส้นใยนาโนเซลลูโลส

การแยกน้ําอย่างรวดเร็วของนาโนไฟเบอร์เซลลูโลสดัดกรดแลคติกภายใต้การ sonication
(การศึกษาและภาพ: ©Sethi et al., 2018)

เพิ่มประสิทธิภาพการแยกน้ําของเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ผ่านการดัดแปลงกรดแลคติกอัลตราโซนิก

เซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ (CNF) ได้รับการยกย่องจากประโยชน์มากมายในการผลิตกระดาษ เช่น การเพิ่มความแข็งแรงและการปรับเปลี่ยนรีโอโลยี อย่างไรก็ตาม ข้อเสียเปรียบที่สําคัญประการหนึ่งคือระยะเวลาที่ต้องใช้มากเกินไปในการระบายน้ําออกจากสารแขวนลอยเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ ซึ่งเป็นขั้นตอนสําคัญในการเตรียมกระดาษนาโน ความท้าทายนี้ไม่เพียงแต่ส่งผลกระทบต่อการผลิตกระดาษนาโน แต่ยังขัดขวางการแปรรูปทางอุตสาหกรรมของนาโนเซลลูโลสเป็นผลิตภัณฑ์สําเร็จรูปอื่นๆ เวลาในการระบายน้ําที่ยาวนานส่วนใหญ่เกิดจากการกักเก็บน้ําสูงของเส้นใยนาโนเซลลูโลส ซึ่งเป็นคอขวดในเชิงพาณิชย์ของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากเส้นใยนาโนเซลลูโลส
ด้านล่างนี้ เราขอนําเสนอผลการศึกษาทางวิทยาศาสตร์โดย Sethi และเพื่อนร่วมงาน (2018) ซึ่งพัฒนาการดัดแปลงกรดแลคติกด้วยอัลตราโซนิกของเส้นใยนาโนเซลลูโลส ซึ่งนําไปสู่การแยกน้ํา CNF เร็วขึ้น 75% และปรับปรุงการทํางานของวัสดุ

การดัดแปลงอัลตราโซนิกของเส้นใยนาโนเซลลูโลสด้วยกรดแลคติก

เพื่อแก้ไขปัญหานี้วิธีการที่ใช้น้ําที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมซึ่งเกี่ยวข้องกับพลังงานโซนิเคชั่นและกรดแลคติก (LA) ได้รับการพัฒนาเพื่อปรับเปลี่ยนพื้นผิวของเส้นใยนาโนเซลลูโลส วิธีนี้ช่วยเร่งกระบวนการแยกน้ําออกได้อย่างมีนัยสําคัญลดเวลาในการระบายน้ําได้ถึง 75%
กระบวนการดัดแปลงเกี่ยวข้องกับการเจือจางสารแขวนลอยนาโนไฟเบอร์เซลลูโลสให้มีความเข้มข้น 0.35 wt.% และเติมกรดแลคติกในปริมาณต่างๆ ที่สัมพันธ์กับปริมาณแห้งของเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ (0.5 เท่า 1 ครั้ง 5 เท่า และ 10 เท่าของสารแห้งเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ในสารแขวนลอย) นาโนไฟเบอร์ น้ํา และกรดแลคติกผสมโดยใช้เครื่องกวนความเร็วสูงที่ 1500 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 5 นาที จากนั้นจึงปรับด้วยเครื่องสะท้อนเสียง Hielscher UP400S ที่ติดตั้งปลายไทเทเนียม (เส้นผ่านศูนย์กลาง 22 มม.) การ sonication จะดําเนินการในระดับพลังงานต่างๆโดยมีพลังงานสูงสุด 600 J / ml ซึ่งสอดคล้องกับ sonication 10 นาที

ผลกระทบต่อเวลาในการระบายน้ํา

การดัดแปลงกรดอัลตราโซนิกแลคติกมีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อเวลาในการระบายน้ําของสารแขวนลอยเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ สารแขวนลอยอ้างอิงใช้เวลาประมาณ 45 นาทีในการแยกน้ํา หลังจากการดัดแปลงกรดแลคติกช่วย sonication เวลานี้จะลดลงเหลือ 10 นาทีซึ่งแสดงถึงการปรับปรุง 75% แม้จะมีการ sonication เล็กน้อย (5 J / ml) เวลาในการระบายน้ําจะลดลงครึ่งหนึ่งเหลือ 23 นาที เวลาในการระบายน้ําลดลงตามพลังงาน sonication ที่เพิ่มขึ้นในที่สุดก็ถึงที่ราบสูงในเวลาประมาณ 10 นาที
การปรับปรุงนี้เกิดจากการแทนที่กลุ่มไฮดรอกซิลที่ชอบน้ําของเซลลูโลสด้วยกรดแลคติกที่ไม่ชอบน้ํา กลุ่มไฮดรอกซิลมีหน้าที่หลักในการกักเก็บน้ําสูง กรดแลคติกที่มีหมู่คาร์บอกซิลิกสามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันกับหมู่ไฮดรอกซิลของเซลลูโลสภายใต้การ sonication Sonication สร้างโพรงสูญญากาศขนาดเล็กในตัวกลางของเหลวซึ่งยุบตัวเพื่อสร้างสภาวะที่รุนแรง (อุณหภูมิ 5000 K และความดัน 1,000 atm) เพียงพอที่จะกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีรวมถึงเอสเทอริฟิเคชัน

พลังงาน Sonication เทียบกับเวลาในการระบายน้ํา (เป็นนาที) สําหรับการเตรียมกระดาษนาโน (สอดคล้องกับตัวอย่าง CNF (1) LA)
พลังงาน sonication 100 J / ml สอดคล้องกับ sonication 100 วินาที ฯลฯ
(การศึกษาและภาพ: ©Sethi et al., 2018)

การลดความหนืดของสารแขวนลอยเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์

พลังงาน sonication ยังมีส่วนช่วยในการลดความหนืดของสารแขวนลอยเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ ความหนืดเป็นสัดส่วนผกผันกับพลังงาน sonication โดยมีความหนืดต่ําสุดที่สังเกตได้ที่ 600 J / ml ตามด้วย 300 J / ml และ 60 J / ml การลดความหนืดนี้ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการแยกน้ําออก

ความเกี่ยวข้องทางอุตสาหกรรมของการดัดแปลงเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์อัลตราโซนิก

วิธีการดัดแปลงกรดอัลตราโซนิก-แลคติกไม่เพียง แต่มีประสิทธิภาพ แต่ยังเข้ากันได้กับการใช้งานในอุตสาหกรรม เครื่องสะท้อนเสียงที่ทันสมัยของ Hielscher ที่สามารถจัดการกับการประมวลผลปริมาณมากสามารถทํางานได้อย่างมีประสิทธิภาพทําให้วิธีนี้เหมาะสําหรับการดําเนินงานขนาดใหญ่
นอกจากนี้ วิธีนี้ยังช่วยให้สามารถรวมเส้นใยนาโนเซลลูโลสได้มากถึง 10 wt.% ในแผ่นกระดาษ โดยการแยกน้ําออกจะเสร็จสิ้นในเวลาเพียง 2 นาที เทียบกับ 23 นาทีสําหรับเส้นใยนาโนเซลลูโลสที่ไม่ผ่านการดัดแปลง การปรับปรุงที่สําคัญนี้สามารถปฏิวัติการใช้เส้นใยนาโนเซลลูโลสในการผลิตกระดาษ โดยเอาชนะอุปสรรคสําคัญประการหนึ่งในเชิงพาณิชย์

เครื่องโซนิคเตอร์สําหรับเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์และการผลิตกระดาษ

ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องสะท้อนเสียงประเภทโพรบของเรา:

การออกแบบ การผลิต และการให้คําปรึกษา – คุณภาพ ผลิตในประเทศเยอรมนี

เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบสูงสุด ความทนทานและใช้งานง่ายช่วยให้สามารถรวมเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น สภาพที่ขรุขระและสภาพแวดล้อมที่ต้องการสามารถจัดการได้ง่ายโดยเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher

Hielscher Ultrasonics เป็น บริษัท ที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO และให้ความสําคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงที่มีเทคโนโลยีล้ําสมัยและเป็นมิตรกับผู้ใช้ แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และตรงตามข้อกําหนดของ UL, CSA และ RoHs